DE10235138A1

DE10235138A1 - Verfahren und Inkubator für Labor- und Freilanduntersuchungen zum lichtabhängigen Wachstum von Phytoplankton

Info

Publication number: DE10235138A1
Application number: DE2002135138
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Ockenfeld
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: DE10235138B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und einen Inkubator zur Ermittlung von Phytoplankton-Wachstums-Lichtbeziehungen für Labor- und Freilanduntersuchungen mittels ICES-Inkubatortechnik. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen gattungsgemäßen Inkubator zu beschreiben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, und mit denen ohne großen technischen Aufwand einfache und preiswerte Licht-Wachtumsuntersuchungen von Phytoplanktern mit hoher Effektivität gewährleistet sind, wird dadurch gelöst, dass Turbulenzen, Lichtgradienten und Lichtfluktuationen simuliert, eine naturnahe Nährstoffversorgung und Wasserbewegung organisiert sowie Einflüsse von Globalstrahlung und Temperaturschwankungen vermieden werden.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und einen Inkubator für Labor- und Freilanduntersuchungen zum lichtabhängigen Wachstum von Phytoplankton gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3.
Für modellgestützte Voraussagen von Populations-Änderungsraten in Gewässern, insbesondere in Flüssen, machen sich Funktionen zur Lichtabhängigkeit des Wachstums dominanter Phytoplanktonvertreter unabdingbar.

In der ökologischen Gewässerforschung spielt das Wachstum freischwebender Algen sowohl für autökologisch-physiologische als auch modellgestützte Prozessvorhersagen ganzer Gewässersysteme eine wesentliche Rolle. Dieses Wachstum (Änderung der Algendichte/Algengröße pro Zeiteinheit) hängt, wie bei allen anderen grünen Pflanzen auch, insbesondere von der Intensität des zur Verfügung stehenden Lichtes ab. Will man beispielsweise vorhersagen, wie sich die Wassergüte eines Flusses (in Form von Algendichte- und -artenspektrum) in einem definierten Gebiet ändern wird, ist dies nur unter Kenntnis einer solchen mathematischen Beziehung realisierbar. Für jede Sonnenscheinintensität kann mit Hilfe solcher Modelle die Lichtintensität im Wasserkörper und vor allem die Produktionskraft der Pflanzen vorausgesagt werden. Dieses Prinzip gilt auch für andere Wasserinhaltstoffe, deren Konzentration eine Funktion der Beleuchtungsintensität darstellt (viele chemische Stoffe, andere biologische Prozesse).

In der Algenforschung existieren viele Ansätze, Technologien für Licht-Wachstumsuntersuchungen zu entwickeln und/oder zu optimieren. Meist handelt es sich um sehr komplizierte Laboraufbauten, welche produktionstechnisch unrentabel und/oder nicht für Außenarbeiten geeignet sind. Andere bekannte Geräte dienen der Ermittlung von Licht-Fotosynthese-Beziehungen und sind für die Lösung der dargestellten Probleme nicht anwendbar.

Es ist ein ICES-Inkubator der Firma Hydro-Bios Apparatebau GmbH/Kiel bekannt (ICES INCUBATOR, CATALOGUE NO. 450 000, Mounting Instructions, Edition 08/97), mit dem unterschiedliche Lichtbedingungen und unterschiedliche Lichtfluktuationen simuliert werden können und der für Fotosynthese-Licht-Untersuchungen eingesetzt wird (ICES-International Council for the Explorartion of the Seas).

Der Inkubator besteht im wesentlichen aus einem mit unterschiedlich abgedunkelten Flaschen bestückten Schaufelrad, welches in einem einseitig beleuchteten Versuchsgefäß bewegt wird.

Aufgrund der erforderlichen Verschliessung der verwendeten Flaschen können mit diesem Inkubator nur Kurzzeit-Untersuchungen (eine bis vier Stunden) angesetzt werden. Es sind keine Wachstums-Licht-Beziehungen ermittelbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen gattungsgemäßen Inkubator zu beschreiben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, und mit denen ohne großen technischen Aufwand einfache und preiswerte Licht-Wachstumsuntersuchungen von Phytoplankton mit hoher Effektivität gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit dem Inkubator mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Das Verfahren zur Ermittlung von Phytoplankton-Wachstums-Lichtbeziehungen für Labor- und Freilanduntersuchungen mittels ICES-Inkubatortechnik ist dadurch gekennzeichnet, dass Turbulenzen, Lichtgradienten und Lichtfluktuationen simuliert, eine naturnahe Nährstoffversorgung und Wasserbewegung organisiert sowie Einflüsse von Globalstrahlung und Temperaturschwankungen vermieden werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein in bekannter Weise durch Wasserkraft gedrehtes Schaufelrad mit unterschiedlich abgedunkelten und mit Bohrungen versehenen Flaschen, die mit einer Folie abgedeckt werden, die einen Nähr-Ionennachschub in die Flaschen ermöglichen, aber den Austritt der Phytoplanktern verhindern, durch einen variabel gestaltbaren Lichtgradienten von maximal 1000 μmol Photonen m^–2 s^–1 geführt wird, wobei das Schaufelrad in einem lichtundurchlässigen Transportbehälter eingebracht und die durch Beleuchtung anfallende Wärme kontinuierlich abgeführt wird.

Der Inkubator ist dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich abgedunkelten Flaschen jeweils mit mehreren Bohröffnungen versehen sind, welche durch Membranen verschlossen sind, die einen Nähr-Ionennachschub in die Flaschen ermöglichen, aber den Austritt des Phytoplankton verhindern.

Das Gerät (Inkubator) ist leicht handhabbar, preiswert herstellbar und sowohl für Labor- als auch für Freilanduntersuchungen geeignet.

Es können unterschiedliche Lichtbedingungen und unterschiedliche Lichtfluktuationen simuliert und ein Nährstoffnachschub auch für mindestens 24 Stunden dauernde Versuche sowie eine Temperaturkonstanz und Lichtkonstanz gewährleistet werden.

Das Versuchsgefäß, zum Beispiel ein Aquarium, kann in der Größe, und in Abhängigkeit hiervon die Größe des Schaufelraddurchmessers, nahezu beliebig variiert werden, so dass bei entsprechender Beleuchtungsanordnung Variationen in der Steilheit der Lichtfluktuations-Gradienten möglich sind.

Durch die Wahl der Pumpengröße kann eine große Variabilität der Umdrehungsgeschwindigkeiten erreicht werden.

Es kann durch die vorgesehene Auswechselbarkeit der Lichtquellen auch mit monochromatischem Licht gearbeitet werden.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel eines Inkubators näher erläutert.

Eine Reihe unterschiedlich abgedunkelter Flaschen wird in bekannter Weise in ein Schaufelrad eingehängt, welches sich in einem von außen beleuchteten Versuchsgefäß, zum Beispiel ein Aquarium, dreht.

Die Beleuchtung erfolgt über eine Serie von zum Beispiel nebeneinander angeordenten Neon-Röhren, die jeweils einzeln zuschaltbar sind.

Der Antrieb des Schaufekrades erfolgt über eine Pumpe, die kontinuierlich Wasser aus dem Aquarium heraus und an anderer Stelle mit erhöhtem Druck wieder einspült.

Die in die unterschiedlich abgedunkelten Flaschen eingesetzten Algen entstammen einer gleichen Ursprungsprobe, sie erhalten bei gleicher äußerer Beleuchtung unterschiedliche Lichtdosen. Bewegt man eine solche Batterie unterschiedlich abgedunkelter Flaschen wiederum durch ein Lichtfeld (helldunkel-hell usw.), ist die Forderung nach einer Simulation unterschiedlicher Lichtbedingungen und unterschiedlicher Lichtfluktuation nahezu erfüllt. Die Lichtfluktuation simuliert den Vertikal-Transport der Algen in einem Gewässer, zum Beispiel. einem Fluß, die unterschiedlich abgedunkelten Flaschen simulieren potentiell unterschiedliche Sonnenlicht-Intensitäten (Regen- bzw. Sonnentage etc.) .

Dieser Versuchsaufbau ist als ICES-Inkubator bekannt und wird für Photosynthese-Licht-Untersuchungen eingesetzt.

Aufgrund der notwendigen Verschliessung der Flaschen können mit dieser Konstruktion allerdings nur Kurzzeit-Untersuchungen von 1 bis 4 Stunden angesetzt werden, die gewünschten Wachstums-Licht-Beziehungen sind hiermit nicht durchführbar.

Da ein einzelner Versuchsansatz in der Regel 24 h dauert (man untersucht die Zunahme der Algendichte/Algengröße meist über die Dauer eines Tages), wird das Hauptproblem solcher Untersuchungen die Nährstofflimitation.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der insbesondere für Fließgewässer typische Nährstoffnachschub garantiert, indem alle abgedunkelten Flaschen mit mehreren Bohröffnungen versehen und diese Öffnungen mit Dialyse-Membran wiederum verschlossen werden. Diese Membran ermöglicht einen Nähr-Ionennachschub in die Flaschen. Die Porengrösse der Membran garantiert also eine Nachversorgung, verhindert aber den Austritt größerer Partikel (also auch der Algen) aus den Flaschen. Eine Zunahme der Algendichte in den Flaschen kann also ausschliesslich dem Faktor Licht (Wachstum in den Flaschen) zugeordnet werden. Die kontinuierliche Bewegung der Flaschen durch das Aquarium erhöht die Wahrscheinlichkeit der Ionenwanderung.

Das Wasser im Aquarium selbst würde aber an Nährstoffen ebenfalls verarmen, wenn es nicht kontinuierlich erneuert würde. Dieses Problem wurde einfach gelöst, indem eine weitere Pumpe kontinuierlich frisches Flusswasser ins Aquarium (Freilanduntersuchungen) bzw. angesetztes Nährmedium aus einem Vorratsbehältnis (Laboruntersuchungen) ins Aquarium einpumpt (Austauschprinzip).

Der im Freiland verwendete Pumpenschlauch wird dabei so lang gewählt, das eine ausreichend lange Kühlschlange im Fluss entsteht. Die durch künstliche Beleuchtung im Aquarium anfallende Wärme (und damit Verfälschung der Ausgangsbedingungen) wird somit kontinuierlich abgeführt und durch die tatsächliche Fluß-Wassertemperatur ersetzt.

Anstelle der bekannten einseitigen wird eine zweiseitige Beleuchtung des Aquariums gewählt, die eine höhere Lichtintensität pro Fläche ermöglicht.

Bei Freilanduntersuchungen wird der Inkubator in einem lichtundurchlässigen Behältnis betrieben. Dies hat den Vorteil, dass die Beleuchtungsintensität alleinig über die Lampen gesteuert wird und somit für alle Versuchsbedingungen konstant gehalten werden kann.

Die Transportkiste ist mit Öffnungen versehen, welche der Durchführung der Kühl-/Nachschubschläuche dienen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Phytoplankton-Wachstums-Lichtbeziehungen für Labor- und Freilanduntersuchungen mittels ICES-Inkubatortechnik (International Council for the Explorartion of the Seas), dadurch gekennzeichnet, dass Turbulenzen, Lichtgradienten und Lichtfluktuationen simuliert, eine naturnahe Nährstoffversorgung und Wasserbewegung organisiert sowie Einflüsse von Globalstrahlung und Temperaturschwankungen vermieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in bekannter Weise durch Wasserkraft gedrehtes Schaufelrad mit unterschiedlich abgedunkelten und mit Bohrungen versehenen Flaschen, die mit einer Folie abgedeckt werden, die einen Nähr-Ionennachschub in die Flaschen ermöglichen, aber den Austritt der Phytoplanktern verhindern, durch einen variabel gestaltbaren Lichtgradienten von maximal 1000 μmol Photonen m^–2 s^–1 geführt wird, wobei das Schaufelrad in einem lichtundurchlässigen Transportbehälter eingebracht und die durch Beleuchtung anfallende Wärme kontinuierlich abgeführt wird.
Inkubator zur Ermittlung von Phytoplankton-Wachstums-Lichtbeziehungen für Labor- und Freilanduntersuchungen mittels ICES-Inkubatortechnik, unter Verwendung von unterschiedlich abgedunkelten Flaschen, die sich in einem Wasserbad mittels eines Schaufelrades bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich abgedunkelten Flaschen jeweils mit mehreren Bohröffnungen versehen sind, welche durch Membranen verschlossen sind, die einen Nähr-Ionennachschub in die Flaschen ermöglichen, aber den Austritt der Phytoplanktern verhindern.
Inkubator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dialyse-Membran verwendet ist.
Inkubator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens eine Pumpe zur kontinuierlichen Frischwasserversorgung des Versuchsgefäßes bzw. zur kontinuierlichen Nährstoffversorgung aus einem Vorratsbehältnis vorgesehen ist.
Inkubator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Freilanduntersuchungen die Länge eines Pumpenschlauches für die kontinuierliche Frischwasserversorgung so gewählt ist, dass eine ausreichend lange Kühlschlange im Gewässer entsteht, über die durch Beleuchtung entstehende Wärme ausgeglichen wird.
Inkubator nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtung des Versuchsgefäßes an mindestens zwei Seiten vorgesehen ist.
Inkubator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen der Beleuchtung auswechselbar sind und als monochromatische Lichtquellen ausgestaltet sind.
Inkubator nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Versuchsgefäß aus Quarzglas gebildet ist.